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17路(17LUBBS) · 看见更远的宇宙

宇宙线每秒都在穿过你,它不是射线而是一颗颗原子核

夜里用手机长曝光拍星空,画面里常冒出一两个白得突兀的点。多数是传感器发热带来的噪点,但也有一小部分,是高能粒子直接打进了像素,留下一条细短的亮痕,有时还带一点弧度。同一批粒子此刻也正穿过你的身体,只是它们太快、太轻,你毫无感觉。它们叫什么,从哪来,凭什么能一路跑到地面?

宇宙线是来自太空的高能带电粒子,GeV 量级下约 89% 是质子、9% 是氦核,能量从 10⁹ eV 铺到 10²⁰ eV 以上;太阳活动低年,大气顶层每平方米每秒约有一千个粒子穿过,海平面因此带来约 0.3 mSv 的年剂量。

宇宙线不是射线,是被加速到接近光速的原子核

名字是历史遗留:早期实验只看到它能电离空气、穿透厚铅,就当成了一种辐射。它其实是物质:质子、氦核、电子,以及少量更重的原子核。

在 GeV 附近,质子约占 89%,氦核约 9%,电子约 1%,其余是碳、氧、铁等重核。比例接近太阳系的元素丰度,但锂、铍、硼明显偏多:它们在恒星内部容易被消耗,宇宙线里却不少,只能是重核在星际介质中撞碎后的碎片。

通量随能量陡降,升高十倍能量就少到约五百分之一

1 GeV 附近的通量约每平方米每秒一千个;到 10¹⁵ eV 的膝附近,降到每平方米每年不到一个;到 10²⁰ eV,则是每平方公里每年不到一个。

整条能谱近似幂律,指数约 -2.7。幂律意味着没有特征能量,加速过程只按比例分配能量,不挑尺度。所以能谱上的每一处折角,都是某个物理过程开始或停止起作用的位置。

大气替我们挡下绝大部分,落地的是次级粒子

初级粒子在 15 到 20 km 高度撞上空气核,产生一串次级粒子,这就是广延大气簇射。到海平面时,原始粒子早已不在,剩下 μ 子、电子和光子。

所以地面探测器测的从来不是宇宙线本身,而是它留下的一场短促的粒子雨。海拔越高、大气越薄,次级粒子越多,大型阵列因此多建在高原。

磁场把方向搅乱,宇宙线因此当不了望远镜

带电粒子在银河系磁场里走弯路。10¹⁵ eV 的质子在 3 μG 磁场中的回旋半径约 1 秒差距,小于磁场相干长度,方向可以被偏转几十度;要到 10¹⁹ eV 以上,回旋半径涨到千秒差距量级,方向才逐渐指回源。

于是低能宇宙线只能说明银河系里有加速器,说不清是哪一颗。要定位,得靠不带电的中微子和伽马射线。

参数 数值 口径与来源
大气顶层通量 约 10³ 个/(m²·s) 太阳活动低年,量级估计
质子占比 约 89%(GeV 量级) 成分测量综述,Gaisser 等
海平面年剂量 约 0.3 mSv UNSCEAR 环境辐射评估
10 km 巡航高度剂量率 约 5 μSv/h 航空辐射监测,量级
膝以下谱指数 约 -2.7 多地空实验联合拟合

哪些是观测,哪些还是推断

观测证实电离随高度先增后减(1912 年气球实验)、成分比例、能谱形状与膝踝两处折角,都有多代探测器的独立数据支持,海平面 μ 子通量同样可重复测量。
理论预言超新星遗迹能把粒子加速到 PeV、膝对应银河系加速上限、踝对应河外成分接管,这些是模型给出的预期,与数据相容,但都不是唯一解。
尚未定论膝以上究竟以质子还是铁核为主,PeV 加速器具体是哪一类天体,10²⁰ eV 事件的源有多远。不同实验在这些问题上的答案还不一致。

常见问题

宇宙线会致癌吗?

会贡献一点天然本底,但量很小:海平面约 0.3 mSv/年,不到一次胸部 CT 的十分之一。需要留意的是常年高空作业的机组人员。

手机相机里的白点真是宇宙线吗?

多数不是。夜间长曝光的白点多来自热噪声,也有 μ 子击中传感器留下的痕迹,两者外观相近。要区分,得看它是否在多帧同一位置出现,或是否呈细长轨迹。

为什么坐飞机受到的辐射更多?

高空大气薄,屏蔽少。10 km 高度的剂量率约为海平面的上百倍,一次跨洋航班的额外剂量大致相当于一次胸片。

延伸阅读

  • Gaisser, T. K., Engel, R., Resconi, E. 2016, Cosmic Rays and Particle Physics, 2nd ed., Cambridge University Press
  • Particle Data Group, Cosmic Rays 综述章节(pdg.lbl.gov)
  • 中国科学院高能物理研究所 LHAASO 项目介绍页(ihep.cas.cn)
免责声明:本文为科普性整理,依据文末所列公开资料与观测数据写成,不构成科研结论或任何形式的建议。科学认识会随新观测与新模型修正,引用请注明来源。如有侵权请联系删除。
文章名称:宇宙线每秒都在穿过你,它不是射线而是一颗颗原子核
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